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《流体力学基础：理论与应用》 图书简介 本书旨在为工程、物理、化学以及相关领域的学生和专业人士提供一套全面而深入的流体力学知识体系。它不仅仅是一本理论教科书，更是一部连接经典流体力学原理与现代工程实际应用的桥梁。全书结构严谨，内容涵盖了从最基本的流体静力学到复杂的湍流理论，注重对物理现象的深刻理解，并辅以大量实际工程案例进行阐释。 第一部分：流体力学基础与描述 本书的开篇聚焦于流体力学的基本概念和描述工具。我们将首先介绍流体的本质属性，包括密度、粘性、可压缩性以及表面张力等，并探讨这些属性如何决定流体的宏观行为。随后，我们将深入讲解流场描述的两种主要方法：拉格朗日描述和欧拉描述。重点在于如何利用流线、迹线、流柱等概念来可视化和量化流体运动。 控制体分析与守恒定律： 核心内容之一是对控制体方法的详尽阐述。我们将系统推导和应用质量守恒（连续性方程）、动量守恒（牛顿第二定律在流体中的应用）以及能量守恒（第一热力学定律在流动中的体现）三大基本守恒定律。这些方程的推导过程详实，旨在帮助读者理解每一项物理意义，而非仅仅停留在数学形式上。特别是动量方程，我们将探讨其在静止流体（流体静力学）和运动流体中的具体应用，例如浮力计算、压力分布分析以及作用在固定或旋转物体上的总作用力计算。 流体运动的微分形式： 随后，我们将从更微观的角度审视流体运动，推导纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程。这是理解复杂流动的基石。本书会详细分析N-S方程的各项组成部分——惯性力、压力梯度力、粘性力以及外力，并讨论其矢量形式和张量形式。对于不可压缩牛顿流体，我们将展示如何将N-S方程简化并应用于特定几何形状下的流动问题。 第二部分：经典流动分析与简化模型 在掌握了基础方程后，本部分将引导读者探索在特定条件下简化后的流动模型，这些模型在工程设计中应用极为广泛。 理想流体与势流理论： 我们首先考察粘性为零的理想流体情况。这引出了伯努利方程，该方程将被视为能量守恒在特定流线上的一个重要特例。通过引入速度势函数和流函数，我们将探讨二维无旋不可压缩流动的基本解法，并应用共形映射等复变函数工具来解决翼型周围的升力计算问题，例如库塔-茹科夫斯基定理的应用。 粘性流动的分析： 粘性效应是理解实际流动的关键。本部分将深入分析层流（Laminar Flow）。通过求解普瓦seuille流动（管道内的完全发展层流）和库艾特流动（平行平板间的剪切流），读者可以直观地理解粘性如何影响速度剖面和压降。雷诺数的引入及其物理意义的探讨至关重要，它标志着惯性力与粘性力相对重要性的转折点。 边界层理论： 边界层理论是连接理想流体理论与真实粘性流动的核心。我们将介绍普朗特边界层假设，并推导布劳修斯方程。对平板上的对流边界层（如Blasius解）的详细分析，将阐明摩擦阻力的来源以及边界层分离的机制和后果。分离现象（例如在钝体绕流中的尾流形成）是后续设计优化必须面对的问题。 第三部分：流动相似性、量纲分析与实验方法 为了有效地从模型试验推广到实际工程尺寸，相似性理论至关重要。 量纲分析与 $pi$ 定理： 本部分将系统讲解 Buckingham $pi$ 定理，演示如何利用无量纲参数（如雷诺数、弗劳德数、马赫数等）来识别和关联物理现象。通过构建无量纲参数，可以极大地简化问题的复杂性，并指导实验设计。 流动测量与可视化： 结合现代技术，本部分将介绍流场测量方法。从传统的皮托管和测压管，到先进的粒子图像测速（PIV）、激光多普勒测速（LDV）等非接触式测量技术，都将进行概述。同时，流场可视化技术，如烟雾可视化和示踪粒子技术，对于直观理解流动结构具有不可替代的作用。 第四部分：湍流、可压缩流与流动稳定性 本书的最后部分将涉猎更复杂和更具挑战性的流动领域，这些领域在航空航天和高速工程中占据核心地位。 湍流基础： 湍流是绝大多数工程应用中的默认状态。我们将区分层流和湍流的统计特性，重点讨论雷诺时均方程的推导及其所带来的“封闭性问题”。随后，将介绍湍流模型的基础，如混合长度模型、$k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型，并讨论这些模型在计算流体力学（CFD）中的应用基础。 可压缩流动： 当流速接近或超过音速时，流体的可压缩性变得显著。我们将引入马赫数，探讨等熵流动、激波的形成和性质（正激波、斜激波）。对于跨声速流动，如喷管膨胀流，其复杂性将通过拉伐尔喷管的分析得以体现。 流动稳定性与转捩： 本部分将探讨流动从稳定（层流）向不稳定（湍流）的转变过程。通过对扰动方程的分析，介绍稳定性和转捩的线性稳定性理论，解释为什么某些流动会自发地发展成湍流。 总结 《流体力学基础：理论与应用》旨在为读者提供一个坚实的理论框架，同时通过对实际问题的深入剖析，培养其解决工程流体力学问题的能力。本书的深度和广度使其成为高等流体力学课程的理想教材，以及工程实践者案头必备的参考书。
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